公路沥青路面检测技术发展综述

任传亭， 任广海， 李森哲

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.招商局公路信息技术(重庆)有限公司， 重庆 400067： 3.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

我国高速公路建设始于20世纪80年代，截至2020年年底，高速公路里程161 000 km[1]，约76.7%的高速公路运营时间超过5年，进入养护维修高峰期[2]。如何准确、高效地检测与评价路面使用性能是路面质量控制和路况评定的前提，也是路面养护维修决策的基础和依据。

公路路面检测技术的总体发展趋势经历了3个阶段：从传统的人工检测到半自动化检测，再发展到无损自动检测[3]，其主要检测方法和特征如表1所示。

随着工程信息技术的发展，智能化检测逐步成为路面检测的主要方式，当今广泛使用的无损智能检测技术在多源传感器的辅助下，能够快速采集路面技术状况信息，并初步给出评估结果，极大地提升了路面检测效率。

1 路面损坏检测技术

路面损坏检测通常采用人工法和视频法检测路面裂缝、坑槽、拥包等表观损坏，视频法自动检测识别路面损坏是未来研究的主要方向。路面三维激光可视化系统是用高能传感器获取路面的细微构造，通过图像识别算法来判断路面损坏状况。

1.1 图像识别方法

路面破损图像采集通过车载的高分辨率、超高帧率的拍摄设备获取路面破损的数据情况，为后续的路面破损自动识别提供数据来源。现阶段较为常用的是面阵或线阵CCD采集数据，二者特点如表2所示。面阵CCD的数据形式是能够表征路面尺寸的图片，而线阵CCD的数据形式更为灵活，数据可实时处理，也可先存储以便后期使用[4-5]。

表1 路面检测方法

表2 路面数据采集方法

1.2 路面破损自动识别算法

自20世纪70年代以来，各种类型的路面裂缝自动识别算法被开发出来，路面破损自动识别技术得到了飞速发展，从空间域到频域，结合数学形态学，从全局分析的角度优化算法，同时结合模糊逻辑、小波变换、目标优化及神经网络等多种理论和工具，路面破损自动识别算法取得了许多研究成果。

路面破损自动识别的大部分研究凭借路面二维图像进行裂缝识别(无法考虑路面立体特征)，考虑不同初始沉降下路表纵缝扩展时程，主要包括如下几大类：阈值分割算法，边缘检测算法，神经网络算法，频域识别算法，机器学习算法，纹理分析方法以及其他算法。采用三维图像进行裂缝识别是近年来的热点，彭博等[6]通过构建三维虚拟路面多角度投影下的4幅光强度图像，采用并行框架设计算法，对路面三维特征裂缝进行了识别试验和算法优化，该成果提高了裂缝识别的召回率、完整性和稳定性。

基于数字图像处理技术的路面损坏检测基本实现了对路面破损的自动化检测，极大降低了人工工作量，但是在面对复杂的交通状况时，自动识别准确度波动较大，路面损坏识别技术需进一步研发。另外，检测系统对软硬件要求高，设备昂贵，阻碍了自动化检测设备的推广。

2 路面结构强度检测技术

路面结构强度的检测通常选用路面弯沉值作为评价指标，路面弯沉是车辆荷载垂直作用于路面引起的竖向变形。路面弯沉检测技术按照加载方式分为静态测定和动态测定，且均已实现自动化检测。

贝克曼梁法是一种规范化的静态弯沉检测方法，该方法操作简单，应用广泛，我国路面设计与检测的标准方法及基本参数均是基于该试验方法，但该方法整个测试过程全是人工操作，测试结果受人为因素影响较大，且检测效率较低。

自动弯沉仪也是目前应用较多的检测方法，其原理与贝克曼梁法相同，都是应用简单的杠杆原理。安装有自动弯沉仪的检测车工作时，按照规定的速度行驶，安装在前后轴测定梁上的传感器能够将被检测的弯沉数据记录。

落锤式弯沉仪测试弯沉法是采用落锤式弯沉仪测试路表在冲击荷载作用下产生的瞬时变形，即动态弯沉，以动态测定评价路面承载能力。JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》[7]中推荐使用落锤弯沉仪进行路面强度的现场试验检测，也是目前广泛使用的路面强度检测方法。

激光式高速路面弯沉测定仪是目前世界上最先进的弯沉测试装置，它在高速行驶过程中利用激光多普勒技术测试地面在荷载作用下的垂直下沉速度，再通过分析程序计算出最大弯沉值及弯沉盆数据，该类设备最早由丹麦GreenWood公司研发。目前，我国科研机构已经研制了具有自主知识产权的激光式高速路面弯沉测定仪，并在国内推广使用。JTG 3450—2019《公路路基路面现场测试规程》[8]已纳入了高速激光弯沉仪检测方法。

由于贝克曼梁、自动弯沉仪及落锤式弯沉仪检测装备一般检测速度只有3 km/h～5 km/h，进行全面、大规模的路面弯沉检测存在一定的技术困难。

高速激光弯沉仪具有测量精度高、安全性好、检测效率高等特点，且检测结果与传统方法相关性好，更适宜于大规模公路网快速路面检测。随着高速激光弯沉检测技术的发展，国内外实际工程应用也将越来越广泛，但这种技术尚未完全成熟，理论体系和评价方法的研究深度与广度有待进一步推进和创新[9]。

3 路面平整度检测技术

平整度是评价路面施工质量与服务水平的重要指标之一，是以标准量规间断或连续量测路表面的凹凸情况的方法。车辆直接与路面面层接触，不平整的表面将会增大行车阻力，使车辆产生附加振动效应。这种振动效应会造成行车颠簸，影响行车的速度、安全、舒适，同时会加剧路面及机车的损坏。

3.1 平整度检测方法

平整度的测试系统分为断面类及反应类。断面类测试系统实际上是测定路面纵向断面高程值，如最常用的3 m直尺、连续式平整度仪、激光断面测试仪等。反应类测试系统是通过测试车在路面上通行时车轴与车身之间的垂直位移或车身的加速度作为其对路面不平整度的反应值，其测试结果与测试车的动态性能有关，因而具有时间不稳定、不易于转换等特征。如今平整度检测基本实现自动化测试，常用的平整度测试方法如表3所示。

表3 平整度检测方法

3.2 平整度指标间相互关系

1) 国际平整度指数

平整度测定的方法和仪器很多，获取的指标也各不相同。为使采用不同的方法和仪器测定的结果可相互比较，需寻求一个标准的(或通用的)平整度指标。为解决这个问题，世界银行于1982年组织国际研究小组，在大规模路面平整度试验的基础上，提出将国际平整度指数IRI作为一项标准化的平整度指标[10]。它与反应类平整度测定系统类似，但采用数学模型模拟1/4车轮(即单轮，类似于拖车)以规定速度行驶在路面上，从而分析行驶距离内动态反应悬挂系的累计竖向位移量。

2) 各平整度指标与IRI换算

世界上大部分国家采用IRI作为沥青路面平整度规范指标，将IRI运用于路况评定是路面平整度的发展趋势[11]。JTG 5210—2018《公路技术状况评价标准》[12]中规定，路面平整度检测指标应为国际平整度指数IRI。为使不同平整度仪的测试结果统一到IRI上来，通过相关性试验确定标定路段IRI值及其他相应平整度仪的测试值，并将二者测试值进行回归分析，建立相应线性关系，从而换算成IRI值来评价路面的平整度。

4 抗滑性检测技术

路面抗滑性能是指车辆轮胎受到制动时沿表面滑移所产生的力。通常，抗滑性能被看作是路面的表面特征，并用轮胎与路面间的摩阻系数来表示，抗滑性能检测方法有制动距离法、偏转轮拖车法、摆式仪法、构造深度测试法。各种检测方法的特点和测试指标如表4所示。

动态旋转式摩擦系数测试仪(简称DF仪)测试路面的摩擦系数，在美国、日本有所应用，但目前在国内的使用单位一直不多，该方法有待进一步推广。

实际上沥青路面的抗滑性能与混合料表面的凹凸分布有着密切的关系，通过对微观结构的研究就可定量评价路面的抗滑性能，一些学者进行了相关试验和模型研究。黄宝涛等[13]用离散型外露尺寸函数研究了沥青路面微观凹凸随机分布特性，建立了沥青路面微观结构和路面抗滑性能之间的关系。童申家等[14]基于变异函数理论，通过分析路面纹理分形特性，建立路面纹理分形维数和集料粒径分布分形维数之间的关系，提出了以路面纹理分形维数作为沥青路面抗滑性能评价指标。

表4 路面抗滑性能检测方法

鉴于抗滑性能测试设备和方法的多样性，不同设备测试结果之间转换性较差，且没有统一的标准，致使对同一路段很难得到相同的评价结果。因此，未来路面抗滑性能检测和评价将向更加精确化和统一化方向发展。

5 路面车辙检测技术

沥青路面车辙是指路面经汽车反复行驶产生流动变形、磨损、沉陷后，在车行道轨迹上产生的纵向带状辙槽。车辙严重路段不仅影响行车安全性、舒适性，还将使路面产生积水，加速路面的破坏。因此，车辙是沥青路面使用性能评价指标，也是沥青路面养护决策的依据。

常用的沥青路面车辙测试方法有横断面尺法、激光车辙仪测试方法。目前国内自动化车辙仪主要包括点激光车辙仪和线激光车辙仪，高速公路、一级公路车辙应采用自动化车辙仪检测。

郎洪等[15]从激光车辙检测技术中车辙深度异常及横断面数据不完整的问题入手，基于高精度三维高程数据，通过包络线算法，提取沥青路面横断面高程轮廓线，完成车辙深度的自动测量。所提方法不仅能高效地提取车辙深度，还能准确地检测造成车辙检测异常的其他病害。

任瑞波等[16]运用Sigmoid函数工具优化了RDI评价模型，通过规定的临界车辙深度，将车辙病害等级化，对现有的车辙深度指数评价模型的改进具有指导意义，同时提出新的评价指标车辙槽深度、宽度、车辙槽曲率半径等对车辙进行综合评价，弥补了现有评价指标和模型的缺陷。

综上所述，路面车辙检测技术借助于激光传感器和数字图形处理方法实现了自动化检测，如何正确、高效处理大量车辙断面数据是今后研究重点。

6 结束语

1) 当前，我国沥青路面技术状况检测大都实现了自动化检测，路面检测更加高效、信息更加丰富，提高检测成果精度仍是今后研究方向和重点。

2) 激光测量仪器在路面检测中广泛应用，该设备有着精度高、效率高、稳定性好等优点，是未来路面检测主要仪器。但是，激光测量设备昂贵，路面三维扫描检测仍是成本高，未来如何降低扫描成本，同时保证所需精度，是未来需要研究的问题，也是激光测量仪器推广的关键。

3) 开发适合各种环境路况下的路面检测设备和数据处理方法，仍是实现路面检测高效化与智能化发展的重点。

4) 规范路面检测结果指标，建立通用接口的数据共享平台，最终实现公路沥青路面智能管养是未来发展方向。